滅火劑的滅火類型及機(jī)理

周 波

中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北 廊坊 065000

火是人類文明的象征，它在人類發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步中有著舉足輕重的作用。然而，火若失去控制，便會(huì)危及生命財(cái)產(chǎn)和自然資源，釀成災(zāi)害[1]。來自公安部消防局的數(shù)據(jù)顯示，2001～2010十年間全國(guó)共發(fā)生火災(zāi)201.18萬起，死傷39881人，直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)1496921萬元?；馂?zāi)不僅造成人身財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)對(duì)環(huán)境也造成巨大的危害[2]，那么如何有效撲滅火災(zāi)，減少損失，挽救人民生命和保障國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全則成為廣大研究者的任務(wù)之一。滅火劑是指能夠有效地破壞燃燒條件，終止燃燒的物質(zhì)?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，及時(shí)正確地使用滅火劑將大大減少生命和財(cái)產(chǎn)的損失。

1 火災(zāi)的分類

依據(jù)火災(zāi)類型不同選擇滅火劑能夠發(fā)揮最大的滅火效能和經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)GB/T 4968-2008《火災(zāi)分類》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，火災(zāi)分為六類:

A 類火災(zāi):固體物質(zhì)火災(zāi)。這種物質(zhì)通常具有有機(jī)物性質(zhì)，一般在燃燒時(shí)能產(chǎn)生灼熱的余燼。

B 類火災(zāi):液體或可熔化的固體物質(zhì)火災(zāi)。

C 類火災(zāi):氣體火災(zāi)。

D 類火災(zāi):金屬火災(zāi)。

E 類火災(zāi):帶電火災(zāi)。物體帶電燃燒的火災(zāi)。

F 類火災(zāi):烹飪器具內(nèi)的烹飪物（如動(dòng)植物油脂）火災(zāi)。

2 滅火劑的分類、特點(diǎn)及滅火機(jī)理

2.1 液體滅火劑

2.1.1 水

水適于撲滅A類火災(zāi)。其廉價(jià)易得，來源廣泛，對(duì)環(huán)境無污染，水成為撲救火災(zāi)時(shí)最經(jīng)常使用的滅火劑[3]。但水也存在著明顯的不足，水的流動(dòng)性很強(qiáng)，大部分水常常未發(fā)揮作用就已經(jīng)流失，其利用率很低。為了提高水的滅火性能，減少水的流失，人們進(jìn)行了大量的研究工作[4]。

水滅火的機(jī)理主要依靠冷卻和窒息作用。水的汽化熱為40.8kJ·mol-1，每千克水吸收2260kJ的熱量，水被蒸發(fā)后，吸收大量的熱，降低燃燒物表面溫度使火焰熄滅。此外，水氣化后每千克體積將膨脹1700倍左，大量稀釋燃燒區(qū)內(nèi)的氧氣，使燃燒物質(zhì)因缺氧而停止燃燒，從而達(dá)到窒息滅火的目的。

2.1.2 細(xì)水霧滅火劑

細(xì)水霧是指在最小設(shè)計(jì)工作壓力下，距噴嘴1m處的平面上，99%的水霧直徑小于1000μm。細(xì)水霧具有無環(huán)境污染、無臭氧損耗、無溫室效應(yīng)、滅火迅速、耗水量低、對(duì)失火對(duì)象破壞性小，可以撲滅A、B、C和F類火災(zāi)，受到國(guó)內(nèi)外廣大研究者的廣泛關(guān)注，細(xì)水霧已成為哈龍滅火劑的替代品之一[5]。但細(xì)水霧設(shè)備復(fù)雜，造價(jià)高，技術(shù)要求嚴(yán)格，所以在應(yīng)用方面受到了一定的限制。

細(xì)水霧的滅火機(jī)理與水類似，具有冷卻和窒息作用，但普通水經(jīng)過細(xì)化后，其比表面積較一般水滴增大，增大了水和火焰的接觸面積，在火場(chǎng)中水能夠完全蒸發(fā)，吸熱效率提高。細(xì)水霧通過對(duì)燃燒物的潤(rùn)濕和乳化作用阻擋熱輻射，降低對(duì)可燃物的熱反饋，減少固體可燃物的分解和液體可燃物的汽化蒸發(fā)，從而降低了燃燒區(qū)內(nèi)可燃?xì)怏w含量。燃燒物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率和火焰?zhèn)鞑ニ俾蚀蟠蠼档汀＜?xì)水霧還可以射入火區(qū)深部，滅火效果將大幅度提高[3]。

2.1.3 泡沫滅火劑

泡沫滅火劑是能與水相容，并且可以通過化學(xué)反應(yīng)或機(jī)械方法產(chǎn)生滅火泡沫的滅火藥劑。種類有:空氣泡沫滅火劑、氟蛋白泡沫滅火劑、水成膜泡沫滅火劑和抗溶性泡沫滅火劑等[6]。

上述泡沫滅火劑雖然可以撲救A類火災(zāi)，但由于具有泡沫沖擊量小，難以穿越燃燒區(qū)，泡沫不能長(zhǎng)期覆蓋燃料表面等缺點(diǎn)，所以泡沫滅火劑常用來撲滅B、F類火災(zāi)[3]。A類泡沫滅火劑克服了上述泡沫滅火劑的缺點(diǎn)，對(duì)A、B、F類火災(zāi)都可以高效快速的撲滅，是集強(qiáng)化水、一般泡沫滅火劑的優(yōu)點(diǎn)于一體的滅火劑。

泡沫滅火劑的滅火機(jī)理主要利用水的冷卻作用和泡沫隔絕空氣的窒息作用來滅火。滅火時(shí)泡沫在燃燒物表面形成的泡沫覆蓋層可使燃燒物與空氣隔離，阻擋火焰對(duì)燃燒物的熱輻射，降低燃燒物的分解、蒸發(fā)，使可燃?xì)怏w難以進(jìn)入燃燒區(qū)域具有窒息作用。泡沫中析出的水可吸收熱量蒸發(fā)降低燃燒區(qū)域的溫度，水蒸氣還可稀釋燃燒區(qū)內(nèi)氧氣具有冷卻和窒息作用。

2.2 固體滅火劑

2.2.1 干粉滅火劑

干粉滅火劑分為BC干粉和ABC干粉。BC干粉大都是以NaHCO3為主要原料，可以撲救B、C、E、F類火災(zāi)。NaHCO3生產(chǎn)量大，價(jià)格低廉，致使不法商家考慮成本時(shí)，在很多具有A類物質(zhì)的場(chǎng)所配備BC干粉滅火器，一旦發(fā)生火災(zāi)，將無法撲救，釀成災(zāi)難。

ABC干粉滅火劑主要成分為磷酸銨鹽，可以撲救A、B、C、F類火災(zāi)。具有滅火效率高，速度快，使用溫度范圍廣，對(duì)環(huán)境、人畜無毒害等特點(diǎn)，目前已取代BC干粉滅火劑，成為哈龍?zhí)娲分弧５淙秉c(diǎn)也很明顯，抗復(fù)燃性差，滅火后具有殘留等問題[7]。

滅火機(jī)理:燃燒是一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程?？扇嘉锓肿釉诟邷叵庐a(chǎn)生維持燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的關(guān)鍵自由基OH·、H·和O·，并依靠這些高活性自由基傳播反應(yīng)，維持燃燒的持續(xù)進(jìn)行。干粉滅火劑能夠消耗這些高活性自由基，當(dāng)粉粒與火焰中產(chǎn)生的自由基接觸時(shí)，自由基被瞬時(shí)吸附在粉粒表面，發(fā)生反應(yīng):

高活性自由基被消耗，使燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)終止，從而熄滅火焰。除此外，粉粒比表面積大，易吸收熱量，具有降溫作用；高溫下熔化的粉粒形成玻璃狀覆蓋層，隔絕空氣和燃燒物，具有窒息作用。

2.2.2 氣溶膠滅火劑

氣溶膠滅火劑哈龍?zhí)娲分?，是一種可懸浮于空氣中的微米級(jí)干粉微粒，由氧化劑、還原劑及粘和劑構(gòu)成，通過燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的滅火介質(zhì)。具有滅火速度快、效率高、價(jià)格便宜、空間淹沒性好、臭氧消耗潛在值和溫室效應(yīng)潛能值低、可常壓貯存等優(yōu)點(diǎn)。適用于A、B、C、E類火災(zāi)。氣溶膠在滅火屬于非潔凈滅火劑，滅火后有一定殘留，而且由于它是通過燃燒方式產(chǎn)生的，故滅火劑本身存在火災(zāi)危險(xiǎn)性。根據(jù)產(chǎn)生氣溶膠溫度的不同，可以分為熱氣溶膠滅火劑和冷氣溶膠滅火劑[8]。

氣溶膠滅火機(jī)理主要在于物理降溫和化學(xué)抑制兩個(gè)方面的聯(lián)合作用[7]。首先物理方面，微米級(jí)滅火劑比表面積大，極易吸收火焰熱量，在吸收熱量足夠時(shí)微粒熔化或氣化，這一過程將吸收大量的熱，從而降低燃燒物溫度。其次在化學(xué)抑制方面，氣溶膠粒子表面能很高，可以吸附燃燒中的活性基團(tuán)OH·、H·和O·，使自由基間組合成穩(wěn)定的分子，使燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷，產(chǎn)生瞬時(shí)滅火并能有效防止復(fù)燃[9]。同時(shí)，在高溫的作用下，氣溶膠粒子分解出的陽離子與H·、OH·發(fā)生多次鏈反應(yīng)，消耗抑制OH·、H·和O·反應(yīng)，達(dá)到滅火效果。

2.3 氣體滅火劑

2.3.1 七氟丙烷滅火劑

七氟丙烷以化學(xué)式為CF3CFHCF3，可以撲救A、B、C、E類火災(zāi)。具有滅火迅速，用量少，易存儲(chǔ)，滅火后無殘留，不擊穿電子元件，無臭氧損耗等優(yōu)點(diǎn)，在滅火性能上最接近哈龍滅火系統(tǒng)的替代品，具有廣泛應(yīng)用[10]。但七氟丙烷具有溫室效應(yīng)（GWP為3200），大氣存活31～42年。滅火時(shí)發(fā)生分解釋放有毒氣體HF。傅學(xué)成，陳濤等[11]考察了七氟丙烷與火焰作用對(duì)HF產(chǎn)生的影響，認(rèn)為七氟丙烷體積分?jǐn)?shù)大于1.3%，滅火時(shí)間高于10s，HF含量超過4000mg·m-3。

滅火機(jī)理通過物理降溫與窒息和化學(xué)抑制滅火。液態(tài)存儲(chǔ)的七氟丙烷釋放出氣化吸收大量的熱具有降溫作用，同時(shí)七氟丙烷密度是空氣6倍，可以覆蓋在燃燒物表面隔絕空氣而使燃燒窒息。但七氟丙烷主要以化學(xué)抑制滅火，滅火劑在火焰中熱分解產(chǎn)生 ·CF3、·CF2、·CF3CFO、·CFO 等含氟自由基 ,含氟自由基與燃燒中的活性基團(tuán)OH·、H·和O·作用，使燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中斷[12]。

2.3.2 二氧化碳滅火劑

CO2比空氣重，長(zhǎng)期存放不變質(zhì)，滅火后能很快散逸，不留痕跡，對(duì)被保護(hù)物無毒害，電絕緣性高，來源豐富，價(jià)格低，適用于撲救A、B、E、F類火災(zāi)。 但使用CO2滅火時(shí)，其使用量大，抗復(fù)燃性能差，并且CO2濃度達(dá)到20%就會(huì)導(dǎo)致人體死亡，因此在經(jīng)常有人工活動(dòng)場(chǎng)所須慎重使用[13]。

滅火機(jī)理是主要通過CO2的窒息和冷卻作用滅火。CO2密度大于空氣，可以覆蓋在燃燒物表面，隔絕空氣，當(dāng)二氧化碳含量達(dá)到30%～35%時(shí)，火焰即可熄滅。另外，滅火劑CO2以液態(tài)形式存儲(chǔ)，使用時(shí)CO2釋放出來，壓力會(huì)驟然下降，使得CO2迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，溫度會(huì)急劇下降，當(dāng)其達(dá)到-56℃以下時(shí)，氣相CO2有一部分會(huì)轉(zhuǎn)變成 “干冰”。干冰溫度為-78.15℃，噴向著火處時(shí)，立即汽化，這些過程將吸收大量的熱，從而降低燃燒物的溫度使火焰熄滅。

2.3.3 煙烙盡滅火劑

煙烙盡滅火劑哈龍?zhí)娲分?，?0%氮?dú)狻?2%氬氣和8%二氧化碳組成，可用于撲滅A、B以及C 類火災(zāi)。煙烙盡具有不污染環(huán)境，無臭氧損耗、無溫室效應(yīng)，對(duì)設(shè)備及資料無腐蝕、破壞作用，對(duì)人體無害等優(yōu)點(diǎn)。但由于其滅火濃度高，噴射時(shí)間長(zhǎng)（約60s），滅火速度較低，故而撲滅B 類火災(zāi)的效果不如撲滅A 類火災(zāi)的效果好[13]。

煙烙燼主要通過降低防護(hù)區(qū)內(nèi)的氧氣濃度，達(dá)到窒息滅火的效果，通?？諝夂?1%的氧氣和小于1%的二氧化碳，如果氧氣含量降低到15%以下，大部分普通可燃物將停止燃燒。將煙烙燼滅火劑釋放后，可以在一分鐘內(nèi)將燃燒區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度迅速降至12.5%，可燃物由于缺氧而停止燃燒，從而達(dá)到滅火的目的。

3 展望

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，各類火災(zāi)事故不斷，科研工作者為了尋求高效、環(huán)保的滅火劑做出了巨大的努力，滅火劑研究也取得了巨大的發(fā)展。目前滅火劑的品種和數(shù)量已經(jīng)基本滿足滅火需求，但現(xiàn)有各類滅火劑性能差異較大，每種滅火劑的優(yōu)勢(shì)和不足非常明顯，滅火劑適宜的火災(zāi)類型不同，不同場(chǎng)所需配備不同滅火劑，特別是我國(guó)從1991年加入《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》的國(guó)際公約，決定2010年將哈龍滅火劑全部淘汰[14]。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)新型環(huán)保、高效、適合各類火災(zāi)的“傻瓜式”滅火劑的研發(fā)，積極尋找可完全替代哈龍滅火劑新型產(chǎn)品。同時(shí)對(duì)現(xiàn)有滅火劑進(jìn)一步篩選，尋找適宜組合類型，將不同類的滅火劑聯(lián)合使用，發(fā)揮各類滅火劑優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，減少火災(zāi)的威脅將是未來滅火劑研發(fā)及選用的基本方向。

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